Строительные и отделочные материалы — Химические волокна
Речь в нашей статье пойдёт про то, как устроена структура волокнистых полимеров. Как известно, волокна состоят из линейных полимерных материалов, макромолекулы которых должны быть расположены так, чтобы волокна могли выдерживать большие нагрузки на разрыв. Другими словами, прочность на разрыв в изделиях из полимерных материалов, при прочих равных условиях, зависит от структуры волокон, т.е. от сочетания и расположения макромолекул.
Электронномикроскопические исследования волокон показывают, что все волокна — натуральные, искусственные и синтетические — обладают пачечной структурой. Это означает, что в процессе роста натуральных и формовании химических волокон макромолекулы полимера сгруппировываются в ассоциаты, которые получили название пачек макромолекул, или структурных элементов. Структура волокнистых полимеров изменяется в зависимости от условий роста натуральных и формования химических волокон. Пачки макромолекул могут иметь неодинаковый размер, различную внутреннюю структуру и разную внешнюю форму. Они могут быть нитевидными — в той или иной мере распрямлённой формы — или свёрнутыми в клубок.
Волокна хлопка растут в течении многих десятков дней, а химические волокна образуются при формовании в течении нескольких секунд, а иногда и меньше. Скорость образования химических волокон может в миллион раз превышать скорость роста натуральных волокон хлопка, шерсти, льна и других лубяных волокон, а также скорость формования нитей гусеницей шелкопряда. В этой связи вполне закономерно, что структура пачек макромолекул натуральных волокон более однородна и упорядочена, чем структура волокнистых полимеров, пачек макромолекул химических волокон, поэтому по некоторым свойствам натуральные волокна не уступают, а превосходят химические.
Пачки макромолекул при образовании волокон располагаются в определённом порядке в зависимости от условий их формования. Структура волокнистых полимеров видна через электронный микроскоп, который позволяет увидеть пачки макромолекул, а по снимкам, сделанным с помощью такого микроскопа, можно измерить их толщину. Достигается это благодаря тому, что электронный микроскоп может увеличить объект в 50 тысяч раз и больше. Если к этому добавить, что при фотоувеличении, например в два раза, отчётливость снимков может быть улучшена, то общее увеличение объекта достигнет 100000 и более раз. Поперечные размеры линейных макромолекул составляют 3-5 ангстрем (1 ангстрем равен одной стомиллионной части сантиметра). Современная техника микроскопирования подходит к разрешающей способности, соразмерной с поперечной величиной макромолекул. Это обеспечивает огромные возможности для исследователей.
Пачки макромолекул сгруппировываются в ассоциаты, из которых состоят волокна. Следовательно, совокупность атомов, определённым образом расположенных и связанных между собою, создаёт макромолекулы, а совокупность последних образует пачки макромолекул, или основные надмолекулярные структурные элементы волокон. Так, путём постепенного соединения более простых частиц образуются более сложные частицы, а из них создаются волокна. Структура волокнистых полимеров последних достаточно сложная, а свойства волокон из определённого полимера зависят от их тонкой структуры. Чем более упорядочена структура пачек макромолекул в волокнах, тем выше прочность волокна на разрыв.
Всё это показывает, что при образовании или формовании химических волокон им можно придать разнообразные свойства в зависимости от структуры. Из многочисленных свойств полимерных материалов их прочность на разрыв представляет наибольший интерес и является основным, хотя и не исключительным показателем. На прочность полимерных материалов в первую очередь влияет степень ориентации структурных элементов и расположение макромолекул в них. Как уже говорилось, по степени ориентации структурных элементов полимерные материалы делят на ориентированные и неориентированные. Ориентированные полимеры — это волокна, а к неориентированным относятся изделия из пластических масс и резины.
Структура волокнистых полимеров и прочность на разрыв изделий из ориентированных и неориентированных полимеров резко различна. Ориентированные полимерные материалы — прочные или высокопрочные, а неориентированные обладают низкой прочностью. К примеру, прочность ориентированных полимер-волокон достигает 100 и даже 150 кг/мм2, тогда как прочность неориентированных полимерных материалов, например изделий из пластических масс и резины, редко превышает 10 кг/мм2. Отсюда вытекает, что условия образования ориентированных (волокон) и неориентированных (пластмасс и резины) изделий из полимерных материалов резко отличаются.